电压调制方法、装置及设备与流程

本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种电压调制方法、装置及设备。

背景技术：

在风力发电输电系统中，风力发电机组的变流器的机侧和电网侧均采用星型连接，可采用空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation，svpwm)方式来进行调制。svpwm根据由变流器中的多个功率器件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。

在调制过程中，变流器中的功率器件频繁开通关断，使得变流器的损耗较大。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种电压调制方法、装置及设备，能够降低被控设备的损耗。

第一方面，本发明实施例提供了一种电压调制方法，包括：依据矢量调节因子，生成被控设备的矢量调节指令，矢量调节因子用于指示调节电压空间扇区的矢量；根据矢量调节指令，调节被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。

在一些实施例中，矢量调节因子包括零矢量分配因子，根据矢量调节指令，调节被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量，包括：根据矢量调节指令，将被控设备的各电压空间扇区的零矢量分配因子的值调节为0或1。

在一些实施例中，所有电压空间扇区的零矢量分配因子的值不完全相同。

在一些实施例中，矢量调节因子包括零序电压，根据矢量调节指令，调节被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量，包括：为被控设备的三相参考电压分别叠加矢量调节指令指示的零序电压，以在被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。

在一些实施例中，依据矢量调节因子，生成矢量调节指令，包括：对被控设备的三相参考电压分别进行移相，并根据移相后的三相参考电压划分得到电压空间扇区；依据矢量调节因子，生成针对被控设备的各电压空间扇区的矢量调节指令。

在一些实施例中，对被控设备的三相参考电压分别进行移相，包括：获取被控设备的有功功率和无功功率，并根据被控设备的有功功率和无功功率，计算得到功率因数；计算功率因数对应的外功率因数角，并按照外功率因数角对被控设备的三相参考电压分别进行移相。

在一些实施例中，矢量调节因子包括零矢量分配因子，电压空间扇区按照逆时针方向包括第一电压空间扇区至第六电压空间扇区，矢量调节指令指示的与第一电压空间扇区、第三电压空间扇区和第五电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为1，与第二电压空间扇区、第四电压空间扇区和第六电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为0。

在一些实施例中，被控设备包括风力发电机组变流器、电网侧逆变器或电动机变流器。

第二方面，本发明实施例提供了一种电压调制装置，包括：指令生成模块，用于依据矢量调节因子，生成被控设备的矢量调节指令，矢量调节因子用于指示调节电压空间扇区的矢量；执行模块，用于根据矢量调节指令，调节被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。

在一些实施例中，矢量调节因子包括零矢量分配因子，执行模块具体用于：根据矢量调节指令，将被控设备的各电压空间扇区的零矢量分配因子的值调节为0或1。

在一些实施例中，所有电压空间扇区的零矢量分配因子的值不完全相同。

在一些实施例中，矢量调节因子包括零序电压，执行模块具体用于：为被控设备的三相参考电压分别叠加矢量调节指令指示的零序电压，以在被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。

在一些实施例中，指令生成模块包括：移相单元，用于对被控设备的三相参考电压分别进行移相，并根据移相后的三相参考电压划分得到电压空间扇区；指令生成单元，用于依据矢量调节因子，生成针对被控设备的各电压空间扇区的矢量调节指令。

在一些实施例中，移相单元具体用于：获取被控设备的有功功率和无功功率，并根据被控设备的有功功率和无功功率，计算得到功率因数；计算功率因数对应的外功率因数角，并按照外功率因数角对被控设备的三相参考电压分别进行移相。

在一些实施例中，矢量调节因子包括零矢量分配因子，电压空间扇区按照逆时针方向包括第一电压空间扇区至第六电压空间扇区，矢量调节指令指示的与第一电压空间扇区、第三电压空间扇区和第五电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为1，与第二电压空间扇区、第四电压空间扇区和第六电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为0。

第三方面，本发明实施例提供了一种电压调制设备，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现第一方面的技术方案中的电压调制方法的步骤。

在一些实施例中，上述电压调制设备为风力发电机组的变流器控制器。

本发明实施例提供一种电压调制方法、装置及设备，依据用于指示调节电压空间扇区矢量的矢量调节因子，生成被控设备的矢量调节指令，根据该矢量调节指令，调节被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。通过去掉一个零矢量的电压调制方法，可使得一个开关周期中被控设备中功率器件的开通关断次数减少，从而降低了功率器件的损耗，进而降低了包括功率器件的被控设备的损耗。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为本发明实施例中一种风力发电机组与电网侧连接的拓扑示意图；

图2为本发明一实施例中一种电压调制方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中一种电压空间扇区的示意图；

图4为本发明实施例中一个开关周期中未去掉零矢量的情况下的功率器件的开通关断序列示意图；

图5为本发明实施例中去掉零矢量的情况下的功率器件的开通关断序列示意图；

图6为本发明另一实施例中一种电压调制方法的流程图；

图7为本发明实施例中一种电压电流波形示意图；

图8为本发明一实施例一种电压调制装置的结构示意图；

图9为本发明另一实施例中一种电压调制装置的结构示意图；

图10为本发明实施例中一种电压调制设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

本发明实施例提供了一种电压调制方法、装置及设备，可应用于对风力发电机组的变流器、电网侧逆变器或电动机变流器进行电压电流调制的过程中。比如，图1为本发明实施例中一种风力发电机组与电网侧连接的拓扑示意图。如图1所示，在风力发电机组与电网侧之间设置有变流器和逆变器。变流器和逆变器均可采用本发明实施例中的电压调制方法。其中，风力发电机组可以为永磁直驱风力发电机组等，在此并不限定。具体的，采用空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation，svpwm)方法来对电压电流进行调制。在本发明实施例中，可减少每个风力发电机组变流器、电网侧逆变器或电动机变流器的开关周期内功率开关器件的开通关断次数，降低产生的损耗。

图2为本发明一实施例中一种电压调制方法的流程示意图。如图2所示，电压调制方法可包括步骤s101和步骤s102。本发明实施例中涉及到的被控设备可包括风力发电机组变流器、电网侧逆变器或电动机变流器，在此并不限定。为了便于说明，下面以被控设备为变流器为例进行说明。

在步骤s101中，依据矢量调节因子，生成被控设备的矢量调节指令。

其中，矢量调节因子用于指示调节电压空间扇区的矢量。依据矢量调节因子生成的矢量调节指令可指示调节被控设备的各电压空间扇区的矢量。采用svpwm方式，依据变流器中的六个功率器件的开通关断情况，可得到电压空间矢量的八个基本电压空间矢量，可依次记为v0、v1、v2、v3、v4、v5、v6和v7。在这八个基本电压空间矢量中包括两个零矢量，具体为v0和v7。

采用svpwm方式，根据变流器的三相参考电压，可以得到变流器的六个电压空间扇区。图3为本发明实施例中一种电压空间扇区的示意图。如图3所示，按照逆时针方向分别为第一电压空间扇区、第二电压空间扇区、第三电压空间扇区、第四电压空间扇区、第五电压空间扇区和第六电压空间扇区。

在本发明实施例中，矢量调节指令具体用于指示将变流器的每个电压空间扇区的其中一个零矢量去掉。具体可去掉零矢量v0或零矢量v7。

在步骤s102中，根据矢量调节指令，调节被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。

可根据矢量调节指令中指示的变流器的每个电压空间扇区中需要去掉的零矢量，调节变流器的每个电压空间扇区去掉对应的零矢量。

比如，矢量调节指令中指示第一电压空间扇区、第二电压空间扇区和第三电压空间扇区去掉零矢量v0，第一电压空间扇区、第二电压空间扇区和第三电压空间扇区去掉零矢量v7。则对应调节第一电压空间扇区至第六电压空间扇区去掉对应的零矢量v0或零矢量v7。

去掉一个零矢量后，变流器中的功率器件在一个开关周期内的开通关断次数可从6次减少至4次，即开通关断次数减少了1/3。比如，图4为本发明实施例中一个开关周期中未去掉零矢量的情况下的功率器件的开通关断序列示意图。图4表示的为变流器中位于上桥臂的三个功率器件k1、k2和k3的开通关断情况，序列示意图中的序列波形为低电平，表示功率开关器件关断；序列示意图中的序列波形为高电平，表示功率开关器件开通。t0为零矢量v0的作用时间，t7为零矢量v7的作用时间，t4为非零矢量v4的作用时间，t6为非零矢量v6的作用时间。由图4可得，一个开关周期中，功率器件的开通关断次数为6次。图5为本发明实施例中去掉零矢量的情况下的功率器件的开通关断序列示意图。由图5可得，去掉零矢量v7后，在一个开关周期中，功率器件k3始终处于关断状态，功率器件的开通关断次数减少至4次。

功率器件的开关损耗如算式集合(1)所示：

其中，psw,igbt为功率模块中功率器件的损耗，eon(inom,vnom)为每个功率器件的开通能力损耗，eoff(inom,vnom)为每个功率器件的关断能力损耗，inom为额定交流电流，vnom为额定交流电压，vdc为直流电压，psw,diode为二极管的损耗，erec(inom)为二极管反向恢复损耗，nigbt为功率模块包含的功率器件的数目，pmodule_loss为功率模块的损耗，fsw为功率器件的开通关断频率，icp为功率器件的开关时刻的电流峰值。由算式集合(1)可得，功率器件的开关损耗与功率器件的开通关断次数以及开关时刻的电流值成正比。因此，减少功率器件的开通关断次数，就能够降低功率器件的损耗。在一些示例中，功率器件具体可为绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)等，在此并不限定。

在本发明实施例中，依据用于指示调节电压空间扇区的矢量的矢量调节因子，生成被控设备的矢量调节指令，根据该矢量调节指令，调节被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。通过去掉一个零矢量的电压调制方法，可使得一个开关周期中被控设备中功率器件的开通关断次数减少，从而降低了功率器件的损耗，进而降低了包括功率器件的被控设备的损耗。

在一些示例中，上述矢量调节因子包括零矢量分配因子。对应的，矢量调节指令具体用于指示电压空间扇区中的零矢量分配因子的值。具体可生成包括电压空间扇区中的零矢量分配因子的值为0或1的零矢量分配因子调节指令。上述步骤s102可细化为：根据矢量调节指令，将被控设备的各电压空间扇区的零矢量分配因子的值调节为0或1。

零矢量v0和零矢量v7各自的作用时间t0和t7，以及总的零矢量作用时间tzero的关系如算式集合(2)所示：

其中，α为零矢量分配因子，ts为载波周期，tk和tk+1为非零矢量的作用时间。因此，将各电压空间扇区的零矢量分配因子α调节为0或1即可。若零矢量分配因子α为1，相当于去掉了零矢量v7。若零矢量分配因子α为0，相当于去掉了零矢量v0。

为了可延长功率器件的寿命，具体的，上述所有电压空间扇区的零矢量分配因子的值不完全相同。也就是说，避免第一电压空间扇区至第六电压空间扇区的零矢量分配因子的值均为0或均为1。

在另一个示例中，上述矢量调节因子包括零序电压。矢量调节指令具体用于指示叠加至被控设备的三相参考电压的零序电压。上述步骤s102可细化为：为被控设备的三相参考电压分别叠加矢量调节指令指示的零序电压，以在被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。在三相参考电压上分别叠加零序电压，也能够达到去掉零矢量，减少功率器件的开通关断的次数的目的。比如，为三相参考电压叠加零序电压的算式集合(3)如下所示：

其中，ua_m、ub_m和uc_m分别为叠加零序电压后的三相参考电压，u0为零序电压，ua_ref、ub_ref和uc_ref分别为叠加零序电压前的三相参考电压。

图6为本发明另一实施例中一种电压调制方法的流程图。图6与图2的不同之处在于，图2中的步骤s101可细化为步骤s1011和步骤s1012。

在步骤s1011中，对被控设备的三相参考电压分别进行移相，并根据移相后的三相参考电压划分得到电压空间扇区。

可对被控设备的三相参考电压进行移相，移相的角度在此并不限定。比如，顺时针移相30°，根据顺时针移相30°得到电压空间扇区。又比如，逆时针移相30°，根据逆时针移相30°得到电压空间扇区。

具体的，可获取被控设备的有功功率和无功功率，并根据被控设备的有功功率和无功功率，计算得到功率因数。计算功率因数对应的外功率因数角，并按照外功率因数角对被控设备的三相参考电压分别进行移相。

功率因数的计算可如算式(4)所示：

其中，pmsm_factor为功率因数，p为电机的有功功率，q为电机的无功功率。值得一提的是，有功功率以流出变流器为正，因此电机输出的有功功率p为负。

外功率因数角的计算可如算式(5)所示：

其中，为外功率因数角。

计算得到外功率因数角，可将三相参考电压ua_ref、ub_ref和uc_ref移相外功率因数角移相后的三相参考电压为ua_m、ub_m和uc_m。根据移相后的三相参考电压ua_m、ub_m和uc_m，得到电压空间扇区。

需要说明的是，可直接对三相参考电压分别进行移相，也可先将三相参考电压转换至两相静止坐标系或两相旋转坐标系再进行移相，在此并不限定。

在步骤s1012中，依据矢量调节因子，生成针对被控设备的各电压空间扇区的矢量调节指令。

得到与移相后的三相参考电压对应的电压空间扇区，生成针对各电压空间扇区的矢量调节指令。

在一些示例中，矢量调节因子包括零矢量分配因子。针对逆时针方向排列的第一电压空间扇区至第六电压空间扇区，矢量调节指令指示的与第一电压空间扇区、第三电压空间扇区和第五电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为1，与第二电压空间扇区、第四电压空间扇区和第六电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为0。后续过程中可根据矢量调节指令，调节被控设备的各电压空间扇区的零矢量分配因子的值。即在与移相后的三相参考电压对应的电压空间扇区中，第一电压空间扇区、第三电压空间扇区和第五电压空间扇区中零矢量v7的作用时间为0，第二电压空间扇区、第四电压空间扇区和第六电压空间扇区中零矢量v0的作用时间为0。

调节各电压空间扇区的零矢量分配因子的值后，具体可计算被控设备如变流器的各桥臂的控制信号的脉宽计数值，从而控制各个桥臂的功率器件的开通关断。

对三相参考电压移相，并调节移相后的三相参考电压对应的被控设备的第一电压空间扇区、第三电压空间扇区和第五电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为1，第二电压空间扇区、第四电压空间扇区和第六电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为0。使得被控设备的电流在峰值时，被控设备中的功率器件处于开通状态，从而降低功率器件开通关断时刻对应的电流峰值，从而进一步降低了功率器件的损耗，降低了被控设备的损耗，也提高了被控设备的效率。

图7为本发明实施例中一种电压电流波形示意图。图7示出了采用普通svpwm的方式的电压波形、采用本发明实施例中电压调制方法(为了便于说明，称为低损耗调制(lowlossmodulate，llmt))的电压波形和普通情况下的电流波形。

其中，采用本发明实施例中llmt的电压波形与电流波形的波峰对应的位置的直线部分表示被控设备的功率器件处于开通状态，从而能够降低电流波峰的值。

采用本发明实施例的电压调制方法，在减少被控设备的功率器件的开通关断次数，以及降低电流波峰的值的情况下，也减少了被控设备工作所产生的热量，能够为被控设备的散热设备减低设计成本创造更为便利的条件。而且，本发明实施例中的电压调制方法主要通过对软件控制的改进来实现，不需要增加其他硬件设备，避免提高成本，并提高了适用性。

图8为本发明一实施例一种电压调制装置的结构示意图。如图8所示，该电压调制装置200包括指令生成模块201和执行模块202。

指令生成模块201，用于依据矢量调节因子，生成被控设备的矢量调节指令。

其中，矢量调节因子用于指示调节电压空间扇区的矢量。

执行模块202，用于根据矢量调节指令，调节被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。

在本发明实施例中，依据用于指示调节电压空间扇区的矢量的矢量调节因子，生成被控设备的矢量调节指令，根据该矢量调节指令，调节被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。通过去掉一个零矢量的电压调制方法，可使得一个开关周期中被控设备中功率器件的开通关断次数减少，从而降低了功率器件的损耗，进而降低了包括功率器件的被控设备的损耗。

在一些示例中，矢量调节因子包括零矢量分配因子。执行模块202可具体用于根据矢量调节指令，将被控设备的各电压空间扇区的零矢量分配因子的值调节为0或1。

进一步地，所有电压空间扇区的零矢量分配因子的值不完全相同。

在另一些示例中，矢量调节因子包括零序电压。执行模块202可具体用于为被控设备的三相参考电压分别叠加矢量调节指令指示的零序电压，以在被控设备的每个电压空间扇区去掉一个零矢量。

图9为本发明另一实施例中一种电压调制装置的结构示意图。图9与图8的不同之处在于，上述实施例中的指令生成模块201可包括移相单元2011和指令生成单元2012。

移相单元2011，用于对被控设备的三相参考电压分别进行移相，并根据移相后的三相参考电压划分得到电压空间扇区。

具体的，移相单元2011可具体用于获取被控设备的有功功率和无功功率，并根据被控设备的有功功率和无功功率，计算得到功率因数；计算功率因数对应的外功率因数角，并按照外功率因数角对被控设备的三相参考电压分别进行移相。

指令生成单元2012，用于依据矢量调节因子，生成针对被控设备的各电压空间扇区的矢量调节指令。

其中，矢量调节因子包括零矢量分配因子。电压空间扇区按照逆时针方向包括第一电压空间扇区至第六电压空间扇区。矢量调节指令指示的与第一电压空间扇区、第三电压空间扇区和第五电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为1，与第二电压空间扇区、第四电压空间扇区和第六电压空间扇区对应的零矢量分配因子的值为0。

图10为本发明实施例中一种电压调制设备的结构示意图。如图10所示，电压调制设备300包括存储器301、处理器302及存储在存储器301上并可在处理器302上运行的计算机程序。

在一个示例中，上述处理器302可以包括中央处理器(cpu)，或者特定集成电路(asic)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

存储器301可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器301可包括hdd、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(usb)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器301可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器301可在终端热点开启电压调制设备300的内部或外部。在特定实施例中，存储器301是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器301包括只读存储器(rom)。在合适的情况下，该rom可以是掩模编程的rom、可编程rom(prom)、可擦除prom(eprom)、电可擦除prom(eeprom)、电可改写rom(earom)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。

处理器302通过读取存储器301中存储的可执行程序代码来运行与可执行程序代码对应的计算机程序，以用于实现上述实施例中电压调制方法方法。

在一个示例中，电压调制设备300还可包括通信接口303和总线304。其中，如图10所示，存储器301、处理器302、通信接口303通过总线304连接并完成相互间的通信。

通信接口303，主要用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。也可通过通信接口303接入输入设备和/或输出设备。

总线304包括硬件、软件或两者，将电压调制设备300的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线304可包括加速图形端口(agp)或其他图形总线、增强工业标准架构(eisa)总线、前端总线(fsb)、超传输(ht)互连、工业标准架构(isa)总线、无限带宽互连、低引脚数(lpc)总线、存储器总线、微信道架构(mca)总线、外围组件互连(pci)总线、pci-express(pci-x)总线、串行高级技术附件(sata)总线、视频电子标准协会局部(vlb)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线304可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。

在一些示例中，上述电压调制设备可为风力发电机组的变流器控制器。

本申请一实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可实现上述实施例中的电压调制方法。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例、设备实施例和计算机可读存储介质实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。